Νέα μελέτη λύνει το μυστήριο για τη μετάβαση από μονωτή σε μέταλλο
Μια μελέτη διερεύνησε τις μεταβάσεις από μονωτήρα σε μέταλλο, αποκαλύπτοντας αποκλίσεις στην παραδοσιακή φόρμουλα Landau-Zener και προσφέροντας νέες γνώσεις για την εναλλαγή αντίστασης. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή, η έρευνα υπογραμμίζει την εμπλεκόμενη κβαντομηχανική και προτείνει ότι η ηλεκτρονική και η θερμική μεταγωγή μπορούν να προκύψουν ταυτόχρονα, με πιθανές εφαρμογές στη μικροηλεκτρονική και στους νευρομορφικούς υπολογιστές.
Κοιτάζοντας μόνο τα υποατομικά τους σωματίδια, τα περισσότερα υλικά μπορούν να τοποθετηθούν σε μία από τις δύο κατηγορίες.
Τα μέταλλα —όπως ο χαλκός και ο σίδηρος— έχουν ηλεκτρόνια που ρέουν ελεύθερα που τους επιτρέπουν να αγώγουν ηλεκτρισμό, ενώ οι μονωτές —όπως το γυαλί και το καουτσούκ— διατηρούν τα ηλεκτρόνια τους σφιχτά συνδεδεμένα και επομένως δεν άγουν ηλεκτρισμό.
Οι μονωτές μπορούν να μετατραπούν σε μέταλλα όταν χτυπηθούν με έντονο ηλεκτρικό πεδίο, προσφέροντας δελεαστικές δυνατότητες για τη μικροηλεκτρονική και τους υπερυπολογιστές, αλλά η φυσική πίσω από αυτό το φαινόμενο που ονομάζεται ωμική μεταγωγή δεν είναι καλά κατανοητή.
Διαβάστε επίσης:Google Quantum AI Braids Non-Abelian Anyons
Το μυστήριο των μεταβάσεων από μονωτή σε μέταλλο
Ερωτήματα, όπως το πόσο μεγάλο χρειάζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο, συζητούνται έντονα από επιστήμονες, όπως ο θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης του Πανεπιστημίου του Μπάφαλο, Jong Han.
«Έχω εμμονή με αυτό», λέει.
Ο Han, PhD, καθηγητής φυσικής στο Κολλέγιο Τεχνών και Επιστημών, είναι ο κύριος συγγραφέας μιας μελέτης που ακολουθεί μια νέα προσέγγιση για να απαντήσει σε ένα μακροχρόνιο μυστήριο σχετικά με τις μεταβάσεις από μονωτή σε μέταλλο. Η μελέτη, «Συσχετισμένη κατάρρευση μονωτή λόγω κβαντικής χιονοστιβάδας μέσω καταστάσεων σκάλας εντός κενού», δημοσιεύτηκε τον Μάιο στο Nature Communications .
Τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από κβαντικά μονοπάτια
Η διαφορά μεταξύ μετάλλων και μονωτών έγκειται στις αρχές της κβαντομηχανικής, οι οποίες υπαγορεύουν ότι τα ηλεκτρόνια είναι κβαντικά σωματίδια και τα επίπεδα ενέργειας τους έρχονται σε ζώνες που έχουν απαγορευμένα κενά, λέει ο Han.
Από τη δεκαετία του 1930, ο τύπος Landau-Zener έχει χρησιμεύσει ως σχέδιο για τον προσδιορισμό του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου που απαιτείται για την ώθηση των ηλεκτρονίων ενός μονωτή από τις κάτω ζώνες του στις ανώτερες ζώνες του. Όμως τα πειράματα στις δεκαετίες έκτοτε έδειξαν ότι τα υλικά απαιτούν πολύ μικρότερο ηλεκτρικό πεδίο – περίπου 1.000 φορές μικρότερο – από ό,τι υπολόγιζε ο τύπος Landau-Zener.
“Έτσι, υπάρχει μια τεράστια απόκλιση και πρέπει να έχουμε μια καλύτερη θεωρία”, λέει ο Han.
Επίλυση Ασυμφωνιών
Για να το λύσει αυτό, ο Han αποφάσισε να εξετάσει μια διαφορετική ερώτηση: Τι συμβαίνει όταν ωθούνται ηλεκτρόνια που βρίσκονται ήδη στην άνω ζώνη ενός μονωτή;
Ο Han έτρεξε μια προσομοίωση ηλεκτρονίων με αντίσταση μεταγωγής που αντιπροσώπευε την παρουσία ηλεκτρονίων στην άνω ζώνη. Έδειξε ότι ένα σχετικά μικρό ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να προκαλέσει μια κατάρρευση του χάσματος μεταξύ της κάτω και της ανώτερης ζώνης, δημιουργώντας μια κβαντική διαδρομή για τα ηλεκτρόνια να ανεβαίνουν και να κατεβαίνουν μεταξύ των ζωνών.
Για να κάνει μια αναλογία, ο Han λέει: «Φανταστείτε μερικά ηλεκτρόνια να κινούνται σε έναν δεύτερο όροφο. Όταν το δάπεδο γέρνει από ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια όχι μόνο αρχίζουν να κινούνται, αλλά ανοίγουν προηγουμένως απαγορευμένες κβαντικές μεταβάσεις και η ίδια η σταθερότητα του δαπέδου καταρρέει απότομα, κάνοντας τα ηλεκτρόνια σε διαφορετικούς ορόφους να ρέουν πάνω-κάτω.
«Τότε, το ερώτημα δεν είναι πλέον πώς πηδούν τα ηλεκτρόνια στον κάτω όροφο, αλλά η σταθερότητα των υψηλότερων ορόφων κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο».
Αυτή η ιδέα βοηθά στην επίλυση ορισμένων από τις αποκλίσεις στον τύπο Landau-Zener, λέει ο Han. Παρέχει επίσης κάποια σαφήνεια στη συζήτηση σχετικά με τις μεταβάσεις μονωτή προς μέταλλο που προκαλούνται από τα ίδια τα ηλεκτρόνια ή εκείνες που προκαλούνται από την ακραία θερμότητα. Η προσομοίωση του Han υποδηλώνει ότι η κβαντική χιονοστιβάδα δεν πυροδοτείται από τη θερμότητα. Ωστόσο, η πλήρης μετάβαση από μονωτή σε μέταλλο δεν συμβαίνει μέχρι να εξισορροπηθούν οι ξεχωριστές θερμοκρασίες των ηλεκτρονίων και των φωνονίων – οι κβαντικές δονήσεις των ατόμων του κρυστάλλου. Αυτό δείχνει ότι οι μηχανισμοί για την ηλεκτρονική και τη θερμική μεταγωγή δεν είναι αποκλειστικοί μεταξύ τους, λέει ο Han, αλλά μπορούν να προκύψουν ταυτόχρονα.
«Έτσι, βρήκαμε έναν τρόπο να κατανοήσουμε κάποια γωνιά ολόκληρου αυτού του φαινομένου αντιστασιακής μεταγωγής», λέει ο Han. «Αλλά νομίζω ότι είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης».
Η έρευνα θα μπορούσε να βελτιώσει τη μικροηλεκτρονική
Η μελέτη συντάχθηκε από τον Jonathan Bird, PhD, καθηγητή και πρόεδρο ηλεκτρολόγων μηχανικών στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του UB, ο οποίος παρείχε πειραματικό πλαίσιο. Η ομάδα του έχει μελετήσει τις ηλεκτρικές ιδιότητες των αναδυόμενων νανοϋλικών που παρουσιάζουν νέες καταστάσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες μπορούν να διδάξουν στους ερευνητές πολλά για τη σύνθετη φυσική που διέπει την ηλεκτρική συμπεριφορά.
«Ενώ οι μελέτες μας επικεντρώνονται στην επίλυση θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με τη φυσική των νέων υλικών, τα ηλεκτρικά φαινόμενα που αποκαλύπτουμε σε αυτά τα υλικά θα μπορούσαν τελικά να αποτελέσουν τη βάση νέων μικροηλεκτρονικών τεχνολογιών, όπως συμπαγείς μνήμες για χρήση σε εφαρμογές έντασης δεδομένων όπως η τεχνητή νοημοσύνη », λέει ο Bird.
Πιθανές Εφαρμογές
Η έρευνα θα μπορούσε επίσης να είναι κρίσιμη για τομείς όπως ο νευρομορφικός υπολογισμός, ο οποίος προσπαθεί να μιμηθεί την ηλεκτρική διέγερση του ανθρώπινου νευρικού συστήματος. «Η εστίασή μας, ωστόσο, είναι πρωτίστως στην κατανόηση της θεμελιώδους φαινομενολογίας», λέει ο Bird.
Από τη δημοσίευση της εργασίας, ο Han έχει επινοήσει μια αναλυτική θεωρίαπου ταιριάζει καλά με τον υπολογισμό του υπολογιστή. Ωστόσο, υπάρχουν περισσότερα που πρέπει να διερευνήσει, όπως οι ακριβείς συνθήκες που απαιτούνται για να συμβεί μια κβαντική χιονοστιβάδα.
“Κάποιος, ένας πειραματιστής, θα με ρωτήσει, “Γιατί δεν το είχα δει αυτό πριν;”», λέει ο Han. «Κάποιοι μπορεί να το είδαν, κάποιοι ίσως όχι. Έχουμε πολλή δουλειά μπροστά μας για να το λύσουμε».
Παραπομπή: «Συσχετισμένη κατάρρευση μονωτή λόγω κβαντικής χιονοστιβάδας μέσω καταστάσεων σκάλας εντός διαστήματος» από τους Jong E. Han, Camille Aron, Xi Chen, Ishiaka Mansaray, Jae-Ho Han, Ki-Seok Kim, Michael Randle και Jonathan P. Bird, 22 Μαΐου 2023, Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-023-38557-8
Άλλοι συγγραφείς περιλαμβάνουν τον φοιτητή διδάκτορα της UB φυσικής Xi Chen. Ishiaka Mansaray, ο οποίος έλαβε διδακτορικό στη φυσική και τώρα είναι μεταδιδακτορικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. και Michael Randle, ο οποίος έλαβε διδακτορικό στην ηλεκτρολόγος μηχανικός και τώρα είναι μεταδιδακτορικός στο ερευνητικό ινστιτούτο Riken στην Ιαπωνία. Άλλοι συγγραφείς περιλαμβάνουν διεθνείς ερευνητές που εκπροσωπούν την École Normale Supérieure, Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας (CNRS) στο Παρίσι. Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang; και το Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής Σύνθετων Συστημάτων, Ινστιτούτο Βασικών Επιστημών.
Διαβάστε επίσης:
Μια βροχή ηλεκτρονίων προκαλεί τα σέλας ακτίνων Χ του Ερμή
Οι προσομοιώσεις υπερυπολογιστή φωτίζουν το μαγνητικό δυναμό του Ήλιου
